Övning förbättrar verkställande funktion och prestation och förändrar hjärnaktivering i överviktiga barn: En slumpmässig kontrollerad provning (2011)

Hälsopsychol. Författarmanuskript; tillgängligt i PMC Jan 1, 2012.
Publicerad i slutredigerad form som:
PMCID: PMC3057917
NIHMSID: NIHMS245691
Förlagets slutredigerade version av denna artikel finns tillgänglig på Health Psychol
Se andra artiklar i PMC som citerar den publicerade artikeln.

Abstrakt

Mål

Detta experiment testade hypotesen att träning skulle förbättra verkställande funktion.

Designa

Stillasittande, överviktiga 7- till 11-åriga barn (N = 171, 56% kvinnlig, 61% Svart, M ± SD ålder 9.3 ± 1.0 år, kroppsmassaindex (BMI) 26 ± 4.6 kg / m2BMI z-poäng 2.1 ± 0.4) randomiserades till 13 ± 1.6 veckor av ett träningsprogram (20 eller 40 minuter / dag), eller ett kontrolltillstånd.

Huvudresultat mäter

Blindade, standardiserade psykologiska utvärderingar (Cognitive Assessment System och Woodcock-Johnson Tests of Achievement III) bedömde kognition och akademisk prestation. Funktionell magnetisk resonansavbildning uppmätt hjärnaktivitet under utförande funktioner.

Resultat

Syftet med att behandla analys avslöjade dosresponsfördelar med träning om verkställande funktion och matematikprestanda. Preliminära bevis för ökad bilateral prefrontal cortexaktivitet och minskad bilateral posterior parietal cortexaktivitet på grund av träning observerades också.

Slutsats

I överensstämmelse med resultaten som erhållits hos äldre vuxna observerades en specifik förbättring av utövande funktion och förändringar i hjärnaktivering på grund av träning. De kognitiva och prestationsresultaten lägger bevis på dosrespons och utvidgar experimentella bevis till barndomen. Denna studie ger information om ett utbildningsresultat. Förutom att det är viktigt att bibehålla vikt och minska hälsorisker under en barnfetmaepidemi, kan fysisk aktivitet visa sig vara en enkel, viktig metod för att förbättra aspekter av barns mentala funktion som är central för kognitiv utveckling. Denna information kan övertyga lärare att genomföra kraftig fysisk aktivitet.

Nyckelord: kognition, aerob träning, fetma, antisaccade, fMRI

Exekutiv funktion verkar vara mer känslig än andra aspekter av kognition till aerob träning (Colcombe & Kramer, 2003). Exekutiv funktion utgör övervakningskontroll av kognitiva funktioner för att uppnå ett mål och förmedlas via prefrontala cortexkretsar. Planering och genomförande av handlingssekvenser som utgör målinriktat beteende kräver fördelning av uppmärksamhet och minne, responsval och hämning, målsättning, självkontroll, självövervakning och skicklig och flexibel användning av strategier (Eslinger, 1996; Lezak, Howieson och Loring, 2004). Den exekutiva funktionshypotesen föreslogs baserat på bevis på att aerob träning selektivt förbättrar äldre vuxnas prestanda på exekutivfunktionsuppgifter och leder till motsvarande ökningar i prefrontal cortexaktivitetColcombe et al., 2004; Kramer et al., 1999). Barns kognitiva och neurala utveckling kan vara känslig för fysisk aktivitet (Diamond, 2000; Hillman, Erickson, & Kramer, 2008; Kolb & Whishaw, 1998). Teoretiska berättelser om kopplingen mellan motoriskt beteende och kognitiv utveckling under barndomen har varierat från hypotesiserade hjärnanätverk till konstruktionen av perception-action-representationer (Rakison & Woodward, 2008; Sommerville & Decety, 2006).

En metaanalys av träningsstudier hos barn visade förbättrad kognition med träning; emellertid slumpmässiga försöksresultat var inkonsekventa (Sibley & Etnier, 2003). En selektiv effekt av träning på verkställande funktion kan förklara blandade experimentella resultat som erhållits hos barn (Tomporowski, Davis, Miller och Naglieri, 2008). Studier som använde kognitiva uppgifter som kräver verkställande funktion visade fördelar med träning (Davis et al., 2007; Tuckman & Hinkle, 1986), medan de som använder mindre känsliga åtgärder inte (Lezak et al., 2004, sid. 36, 611 – 612; t.ex, Ismail, 1967; Zervas, Apostolos och Klissouras, 1991). En preliminär rapport från denna studie, med ett mindre urval, visade en fördel med utövande av verkställande funktion (Davis et al., 2007). De slutliga resultaten presenteras här.

Hos barn har kraftig fysisk aktivitet förknippats med bättre betyg (Coe, Pivarnik, Womack, Reeves och Malina, 2006; Taras, 2005), fysisk kondition med akademisk prestation (Castelli, Hillman, Buck och Erwin, 2007; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus, & Dean, 2001; Wittberg, Northrup, Cottrell och Davis accepterade) och övervikt med sämre prestationer (Castelli et al., 2007; Datar, Sturm och Magnabosco, 2004; Dwyer et al., 2001; Shore et al., 2008; Taras & Potts-Datema, 2005). Den starkaste slutsatsen som dras när det gäller effekten av fysisk aktivitet på akademisk prestation är dock att det inte försämrar prestationen, även om det tar bort klassrummet (Dwyer, Coonan, Leitch, Hetzel, & Baghurst, 1983; Sallis et al., 1999; Shephard et al., 1984). Eftersom övervikt är en markör för kronisk inaktivitet (Must & Tybor, 2005), överviktiga, stillasittande barn kan vara mer benägna att dra nytta av träning än magra barn.

Den primära hypotesen i denna studie var att stillasittande, överviktiga barn som tilldelats träning skulle förbättra mer än barn i ett kontrollvillkor för verkställande funktion, men inte andra kognitiva processer som motstånd mot distraktion, rumsliga och logiska processer och sekvensering. En sekundär hypotes var att ett dosresponsförhållande skulle observeras mellan träning och kognition. Effekter på akademisk prestation undersöktes. Baserat på tidigare studier hos vuxna som visade träningsrelaterade förändringar i hjärnfunktionen undersöktes effekter på aktivitet i prefrontala cortexkretsar med funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) i en undergrupp av deltagare.

Metod

Huvudstudie

Deltagare

Studenter rekryterades från skolor under 2003 – 2006 för en studie av aerob träning på barns hälsa. Barn var berättigade om de var överviktiga (≥85: e percentil BMI) (Ogden et al., 2002), inaktiv (inget regelbundet fysiskt aktivitetsprogram> 1 timme / vecka) och hade inget medicinskt tillstånd som skulle påverka studieresultat eller begränsa fysisk aktivitet. Hundra sjuttioett barn 7–11 år randomiserades (56% kvinnor, 61% svart, 39% vit, M ± SD-ålder 9.3 ± 1.0 år, kroppsmassindex (BMI) 26.0 ± 4.6 kg / m2, BMI z-poäng 2.1 ± 0.4, förälder (dvs primär vårdgivare) utbildningsnivå 5.0 ± 1.1, där 1 = mindre än 7th klass, 2 = 8th eller 9th, 3 = 10th eller 11th, 4 = 5th eller 6th, 7 = XNUMXth eller XNUMXth, XNUMX = high school examen = XUM college, XNUMX = högskoleexamen, XNUMX = forskarutbildning). Ett barn utesluts från posttest på grund av en psykiatrisk sjukhusinläggning som inträffade efter randomisering. Barn uppmuntrades till efterprövning oavsett anslutning till interventionen. Elva barn som tog mediciner för uppmärksamhetsbrist inkluderades (och tog sin medicin som vanligt; n = 4 i kontroll, n = 4 i låg dos och n = 3 i högdosgrupp) för att maximera generaliserbarheten. Barn och föräldrar slutförde skriftligt informerat samtycke och samtycke. Studien granskades och godkändes av Institutional Review Board vid Medical College of Georgia. Testning och intervention inträffade vid Medical College of Georgia. Deltagarens flödesschema presenteras i Fig 1.

Fig 1 

Deltagarens flödesschema.

Studera design

Barn tilldelades slumpmässigt av statistikern till låg dos (20 minuter / dag) eller hög dos (40 minuter / dag) aerob träning, eller till en ingen övningskontroll. Randomisering stratifierades av ras och kön. Uppdrag doldes tills baslinjetest var avslutat och kommunicerades sedan till studiekoordinatoren, som informerade ämnena. Kontrollvillkoret gav inget efter-skolprogram eller transport. Träningsvillkoren var likvärdiga i intensitet och skilde sig bara i varaktighet (dvs. energiförbrukning). Fem kohorter deltog i studien under 3 år.

Aerob träning

Barn som tilldelats träning transporterades till ett träningsprogram efter skolan varje skoldag (elev: instruktörskvot ca 9: 1). Tyngdpunkten låg på intensitet, njutning och säkerhet, inte konkurrens eller kompetensförbättring. Aktiviteter valdes utifrån enkelhet i förståelse, kul och framkallande intermittent kraftfull rörelse, och inkluderade löpspel, hopprep och modifierad basket och fotboll (Gutin, Riggs, Ferguson, & Owens, 1999). Programhandboken finns tillgänglig på begäran. Pulsmätare (S610i; Polar Electro, Oy, Finland; 30 sekunders epok) användes för att observera dosen. Varje barns genomsnittliga hjärtfrekvens under sessionerna registrerades dagligen och poäng tilldelades för att bibehålla ett genomsnitt på> 150 slag per minut. Poäng löstes in för veckovisa priser. Barn som tilldelades högdosförhållandena avslutade två 20-minuters anfall varje dag. Barn i lågdosförhållanden avslutade en 20 minuters match och sedan en 20 minuters period av stillasittande aktiviteter (t.ex. brädspel, kortspel, teckning) i ett annat rum. Ingen handledning gavs under denna period. Varje session började med en uppvärmning på fem minuter (måttlig kardiovaskulär aktivitet, statisk och dynamisk stretching). Bouts slutade med en vattenavbrott, svalka ned kardiovaskulär aktivitet och statisk stretching.

Under 13 ± 1.6 veckors ingripande (13 ± 1.5, 13 ± 1.7 under respektive lågdosförhållanden) var närvaron 85 ± 13% (85 ± 12, 85 ± 14). Genomsnittlig hjärtfrekvens var 166 ± 8 slag per minut (167 ± 7, 165 ± 8). Barn uppnådde en genomsnittlig hjärtfrekvens> 150 slag per minut de flesta dagarna (totalt 87 ± 10%; 89 ± 8, 85 ± 12 vid låg respektive hög dos). Interventionsperiodens varaktighet, genomsnittlig närvaro, hjärtfrekvens och andelen av tiden som hjärtfrekvensmålet uppnåddes var likartade över träningsförhållandena, och tiden mellan baslinje och eftertest var likartad över alla experimentella förhållanden (19 ± 3.3, 18 ± 2.6, 18 ± 2.5 veckor i kontroll-, låg- och högdosförhållanden, respektive).

åtgärder

Ett standardiserat psykologiskt batteri bedömde kognition och prestation vid baslinjen och efter testet. De flesta barn (98%) utvärderades av samma testare, vid samma tid på dagen och i samma rum vid baslinjen och efter testet. Testare var inte medvetna om barnets experimentella tillstånd. Standardpoäng analyserades. Sammantaget tillhandahöll 5-kohorter data för kognition och 4-kohorter för prestation. Medlet föll inom normalområdet (Tabell 1).

Tabell 1 

Kognitiva och prestationb poäng (M ± SE) per grupp vid baslinjen och efter testet, och justerade medel vid posten

En standardiserad, teoribaserad (Das, Naglieri och Kirby, 1994; Naglieri, 1999) kognitiv bedömning med utmärkta psykometriska kvaliteter, det kognitiva bedömningssystemet, användes (Naglieri & Das, 1997). Det kognitiva bedömningssystemet standardiserades på ett stort representativt urval av barn i åldern 5 – 17 år som nära matchar den amerikanska befolkningen på ett antal demografiska variabler (t.ex. ålder, ras, region, samhällsinställning, utbildningsklassificering och föräldrautbildning). Det är starkt korrelerat med akademisk prestation (r = .71), även om det inte innehåller prestationsliknande objekt (Naglieri & Rojahn, 2004). Det är känt att svara på utbildningsinsatser (Das, Mishra och Poole, 1995), och det ger mindre ras- och etniska skillnader än traditionella underrättelsetester, vilket gör det mer lämpligt för bedömningen av missgynnade grupper (Naglieri, Rojahn, Aquilino och Matto, 2005).

Det kognitiva bedömningssystemet mäter barns mentala förmågor definierade utifrån fyra sammanhängande kognitiva processer: planering, uppmärksamhet, samtidiga och successiva. Var och en av de fyra skalorna består av tre undersökningar. Endast planeringsskalan mäter verkställande funktion (dvs. strategigenerering och tillämpning, självreglering, intentionalitet och användning av kunskap; intern tillförlitlighet r = .88). Planeringsskalan har bättre tillförlitlighet än neuropsykologiska tester av utövande funktion (Rabbitt, 1997). De återstående skalorna mäter andra aspekter av kognitiv prestanda och kan således avgöra om effekterna av träning hos barn är starkare för utövande funktion än för andra kognitiva processer. Uppmärksamhetstesterna kräver fokuserad, selektiv kognitiv aktivitet och motstånd mot distraktion (intern tillförlitlighet r = .88). De samtidiga subtesterna omfattar rumsliga och logiska frågor som innehåller icke verbalt och verbalt innehåll (intern tillförlitlighet r = .93). De successiva uppgifterna kräver analys eller återkallelse av stimuli arrangerade i sekvens och bildning av ljud i ordning (intern tillförlitlighet r = .93). Preliminära resultat för denna åtgärd har publicerats (Davis et al., 2007). Ett barn administrerades felaktigt den 8-år gamla versionen av testet vid baslinjen när barnet var 7 år gammalt.

Barns akademiska prestation mättes med hjälp av två utbytbara former av Woodcock-Johnson Tests of Achievement III (McGrew & Woodcock, 2001) som slumpmässigt uppvägs. Klusterna för bred läsning och bred matematik var resultaten av intresse. Hundra fyrtioåtta barn i 4-kohorter levererade prestationsdata.

Statistisk analys

Avsikt att behandla analys av kovarianskontrollerade gruppdifferenser på kognition och prestation vid testet, justering för baslinjens poäng. Analyser genomfördes med hjälp av den senaste observationen som genomfördes imputation för 7-barn som inte tillhandahöll data efter testet. Kovariater (kohort, ras, kön, förälderutbildning) inkluderades om de var relaterade till den beroende variabeln. Planering, samtidighet, uppmärksamhet och successiva skalor, samt bred läsning och bred matematik kluster undersöktes. A priori kontraster som testade en linjär trend och jämförde kontrollgruppen med de två träningsgrupperna, utfördes tillsammans med ortogonala kvadratiska och låga kontra högdoskontraster. Statistisk signifikans bedömdes vid a = .05. Väsentliga analyser upprepades med undantag av 11-barn som tog mediciner för uppmärksamhetsbrist, och exklusive sjuåringar av 18, som på grund av sin ålder administrerades en något annorlunda version av det kognitiva bedömningssystemet. En provstorlek av 62 individer per grupp uppskattades ge 80% effekt för att detektera en skillnad mellan grupper av 6.6-enheter.

FMRI Substudy

Deltagare

Tjugo barn i den sista kohorten av studien deltog i en fMRI-pilotstudie bestående av baslinje (kontroll n = 9, övning n = 11) och posttest (kontroll n = 9, övning n = 10) hjärnskanning. Vänsterhänta barn och de som bar glasögon utesluts. En session efter testet i träningsgruppen vägrade. Det fanns inga signifikanta skillnader i egenskaper mellan denna delmängd (9.6 ± 1.0 år, 40% kvinnlig, 40% svart, BMI 25.3 ± 6.0, BMI z-score 1.9 ± 0.46) och resten av provet. Träningsgrupper med låg och hög dos (14 ± 1.7 wks-träning) kollapsades för fMRI-analyser.

Design och procedur

Bilder förvärvades på ett GE Signa Excite HDx 3 Tesla MRI-system (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI). Visuella stimuli presenterades med hjälp av MRI-kompatibla glasögon (Resonance Technologies, Inc., Northridge, CA), och ögonrörelser övervakades med användning av ett ögonspårningssystem som gjorde det möjligt för utredare att se att försökspersoner var vakna och engagerade i uppgiften. Personer hade öronproppar och deras huvuden fasthölls med en vakuumkudde. Före anskaffningen av MRI-data optimerades den magnetiska homogeniteten med hjälp av en automatiserad skimningsprocedur som bestämmer låg-ordningsföljdvärden genom att utföra minst kvadraters passning av magnetfältskartor och automatiskt tillämpar låg-ordningsfackvärden som likström förskjutningsströmmar i X Y- och Z-gradientvågformer. Funktionella bilder erhölls med användning av en bortskämd gradienteko, plan bildsekvens (repetitionstid (TR) 2800 ms, ekotid (TE) 35 ms, vippvinkel 90 °, synfält (FOV) 280 × 280 mm2, matris 96 × 96, 34 skivor, skivtjocklek 3.6 mm). Därefter erhölls strukturella bilder med användning av en 3-dimensionell snabbbortskämd gradienteko-sekvens (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, vippvinkel 20 °, FOV 240 × 240 mm2, matris 512 × 512, 120 skivor, skivtjocklek 1.3 mm). De högupplösta strukturella bilderna användes för att normalisera funktionella bilder till ett standard stereotaxiskt utrymme för analyser (Talairach & Tournoux, 1988).

Antisaccade-uppgift

Funktionsavbildningsdata förvärvades medan försökspersonerna avslutade ett annat mått på verkställande funktion, en antisaccaduppgift (McDowell et al., 2002). Korrekt prestanda för antisaccade kräver hämning av ett prepotent svar på en visuell signal och generering av ett svar på spegelbildens placering för den signalen (motsatt sida, samma avstånd från central fixering). Efter en initial fixeringsperiod (25.2 sek) växlades ett blockparadigm mellan baslinjen (N = 7-block; 25.2 sek av ett kors presenterat vid central fixering) och experimentellt (N = 6-block; 25.2 sek bestående av 8 antisaccade-försök, totala 48-försök) villkor (5.46 minuters körtid; 117-volymer; de första 2-volymerna utelämnades från analys för att ta hänsyn till magnetiseringsstabilisering). Under baslinjen instruerades personer att stirra vid korset. Under antisaccadförsök instruerades försökspersonerna att stirra vid ett centralt kors tills det gick av, och sedan signalerade en signal i periferin försökspersoner att titta så snabbt som möjligt till spegelbildens placering utan att titta på själva köen. Ämnen hade två separata övningar före varje skannersession för att säkerställa att de förstod instruktioner. Personal som interagerade med barnen under skanningen var inte medvetna om barnets uppdrag.

Bildanalys

Analyser genomfördes som i tidigare publicerade data från vårt laboratorium (Camchong, Dyckman, Austin, Clementz och McDowell, 2008; Camchong, Dyckman, Chapman, Yanasak, & McDowell, 2006; Dyckman, Camchong, Clementz och McDowell, 2007; McDowell et al., 2002) använder AFNI-programvara (Cox, 1996). Kortfattat, för varje session, registrerades volymer till en representativ volym för att korrigera för mindre huvudrörelser (och 6-regressorer beräknades: 1 vardera för a) rotation, och b) translationell huvudrörelse i vart och ett av 3-plan). En 4 mm full bredd vid halvt maximalt Gauss-filter applicerades sedan på varje datasats. För varje voxel beräknades den procentuella förändringen i blodsyrenivåberoende signal från baslinjen för varje tidpunkt. Den resulterande procentuella förändringen över tiden avskräcktes för linjär drift och korrelerades med en trapezoidal referensfunktionsmodellbaslinje (fixering) och experimentella (antisaccade) förhållanden, med användning av 6-rörelseparametrarna som brusregressorer. Data transformerades sedan till standardiserat utrymme baserat på Talairach och Tournoux Atlas (Talairach & Tournoux, 1988) och omamplats till 4 × 4 × 4 mm voxels.

För att identifiera de neuralkretsar som stöder antisaccadprestanda (Fig 2) kollapsade data mellan grupper och tidpunkter för variansanalys. För att skydda mot falska positiver användes en klustertröskelmetod härrörande från Monte Carlo-simuleringar (baserad på datauppsättningens geometri) på F Karta (Ward, 1997). Baserat på dessa simuleringar, familjen klok alfa kl p = .05 bevarades med en individuell voxel trösklad vid p =. 0005 och en klusterstorlek av 3 voxels (192 µL). Den resulterande kluster F karta användes för att identifiera regional förändring av blodsyrenivåberoende signaländring.

Fig 2 

Axiella vyer som visar blodsyrningsnivåberoende procent signalförändring förknippad med antisaccadprestanda från analys med ett prov på tre olika nivåer i hjärnan. Data från 39-sessioner (20 barn i början, 19 vid testet) är .
Region av intresseanalyser

För varje kortikalt område som visade betydande aktivitet i det klusterade F karta (främre ögonfält, kompletterande ögonfält, prefrontal cortex, posterior parietal cortex), en sfär (radie 8 mm, liknar Kiehl et al., 2005; Morris, DeGelder, Weiskrantz, & Dolan, 2001) placerades i centrum av massan, med bilateral aktivitet kollapsade över halvklotet. Medelprocent signalförändringar vid baslinjen och posttestet beräknades för varje intresseområde för varje deltagare och skillnadsscore analyserades. På grund av icke-normala fördelningar av regionens intressevärden jämfördes experimentella förhållanden med användning av Mann-Whitney U test (exakta 2-svansade sannolikheter).

Resultat

Psykometriska data

Sex var relaterat till planering efter testet (pojkar, 101.3 ± 12.1 vs. flickor, 105.2 ± 12.7, t = -2.0, p = .044) och uppmärksamhet (99.8 ± 12.2 vs. 107.5 ± 12.5, t = -4.1, p <.001) poäng. Lopp kopplades till posttest samtidigt (Vit, 109.3 ± 13.6 mot svart, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) och bred matematik (109.0 ± 9.3 vs. 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <.001) poäng. Föräldrarnas utbildning var korrelerad med posttestplanering (r = .18, p = .02), bred läsning (r = .27, p = .001) och bred matematik (r = .27, p = .001) poäng. Dessa kovariater ingick i motsvarande analyser.

En statistiskt signifikant a priori linjär kontrast indikerade en dosresponsfördel av träning på verkställande funktion (dvs. planering, Fig 3; L = 2.7, 95% konfidensintervall (CI) 0.6 till 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). De a priori kontrast jämförelse av kontrollgruppen med träningsgrupperna var också signifikant, vilket visade att exponering för antingen den låga eller höga dosen av träningsprogrammet resulterade i högre planeringsresultat (L = −2.8, CI = −5.3 till −0.2, t(165) = 2.1, p = .03). Som förväntat detekterades inga effekter på vågen uppmärksamhet, samtidighet eller successiv. För bred matematik-klustret, ett statistiskt signifikant a priori linjär kontrast indikerade en dosresponsfördel av träning om matematikprestanda (Fig 3; L = 1.6, CI 0.04 till 3.2, t(135) = 2.03, p = .045). Kontrasten som jämför träningsvillkoren med kontrollvillkoret var inte statistiskt signifikant (p = .10). Inga effekter upptäcktes på Broad Reading-klustret.

Fig 3 

Exekutiv funktion (planering) vid posttest justerat för kön, förälderutbildning och baspoäng, och matematikprestationsmedel (SE) vid posttest justerat för ras, förälderutbildning och baslinjescore, visar dosresponseffekter av den aeroba träningen .

Låg- och högdosförhållandena skilde sig inte och inga kvadratiska trender upptäcktes. Bortsett från baslinjens poäng var de enda signifikanta kovariaterna i analyser av kognition eller prestation kön i uppmärksamhetsanalysen (p <.001) och tävla om bred matematik (p = .03). Resultaten var liknande när man utesluter barn med uppmärksamhetsbrist (linjära kontraster mot planering, t(154) = 2.84, p = .005, bred matematik, t(125) = 2.12, p = .04) och 7-åringar (planering, t(147) = 2.92, p = .004, bred matematik, t(117) = 2.23, p = .03).

Neuroimaging Data

Den antisaccade-relaterade signalens blodberoende signal (kollapsar över grupp och tidpunkt) avslöjade kortikala saccadiska kretsar (inklusive frontala ögonfält, kompletterande ögonfält, posterior parietal cortex och prefrontala cortex; Fig 2), vilket är väl definierat hos vuxna (Luna et al., 2001; Sweeney, Luna, Keedy, McDowell, & Clementz, 2007). Region av intresseanalyser visade gruppskillnader i signalförändringar från baslinje till posttest som var signifikanta i två regioner: bilaterala prefrontala cortex (masscentrum i Talairach-koordinater (x, y, z): höger = 36, 32, 31; vänster = - 36, 32, 31) och bilateral bakre parietal cortex (höger = 25, −74, 29; vänster = −23, −70, 22). Speciellt visade träningsgruppen ökad bilateral prefrontal cortexaktivitet (Fig 4, vänster panel; U = 20, p = .04) och minskad aktivitet i bilaterala bakre parietal cortex (Fig 4, höger panel; U = 18, p = .03) jämfört med kontroller. Region av intresseanalyser av motorregioner (frontala och kompletterande ögonfält) visade inte signifikanta skillnader mellan grupper.

Fig 4 

Boxplots efter experimentellt tillstånd som visar förändring i aktivering från baslinje till posttest. Vänster panel: prefrontal cortex. Höger panel: bakre parietal cortex.

Diskussion

Experimentet testade effekten av ungefär 3 månader av regelbunden aerob träning på utövande funktion hos stillasittande, överviktiga barn med hjälp av kognitiva bedömningar, prestationsåtgärder och fMRI. Detta mångfacetterade tillvägagångssätt avslöjade konvergent bevis på att aerob träning förbättrade kognitiva prestanda. Mer specifikt, förblindade, standardiserade utvärderingar visade specifika dosresponsfördelar med träning på exekutiv funktion och matematik. Ökad prefrontal cortexaktivitet och reducerad posterior parietal cortexaktivitet på grund av träningsprogrammet observerades.

Sammanfattningsvis överensstämmer dessa resultat med de hos vuxna angående påvisbara beteendemässiga och hjärnaktivitetsförändringar på grund av träning (Colcombe et al., 2004; Pereira et al., 2007). De lägger också till bevis på dosrespons, vilket är särskilt sällsynt i träningsförsök med barn (Strong et al., 2005) och ge viktig information om ett utbildningsresultat. Högdostillståndet resulterade i genomsnittlig planering av poäng 3.8-poäng, eller en fjärdedel av en standardavvikelse (σ = 15), högre än kontrolltillståndet. Demografi bidrog inte till modellen. Liknande resultat erhölls när barn med uppmärksamhetsbrist eller 7-åringar utesluts. Därför kan resultaten generaliseras till överviktiga svarta eller vita 7- till 11-åringar.

Exekutiv funktion utvecklas i barndomen och är avgörande för adaptivt beteende och utveckling (Bäst, Miller, & Jones, 2009; Eslinger, 1996). Framför allt är förmågan att reglera sitt beteende (t.ex. hämma olämpliga svar, försena tillfredsställelse) viktigt för att ett barn ska lyckas i grundskolan (Blair, 2002; Eigsti et al., 2006). Denna effekt kan ha viktiga konsekvenser för barns utveckling och utbildningspolitik. Upptäckten av förbättrad matematisk prestation är anmärkningsvärd med tanke på att ingen akademisk instruktion tillhandahölls och antyder att en längre interventionsperiod kan leda till mer nytta. Den förbättring som observerades vid prestation var specifik för matematik, utan någon fördel för att läsa.

Vi antar att regelbunden kraftig fysisk aktivitet främjar barns utveckling via effekter på hjärnsystem som ligger bakom kognition och beteende. Djurstudier visar att aerob träning ökar tillväxtfaktorer såsom hjärnoriverad neurotrofisk faktor, vilket leder till ökad kapillärblodtillförsel till cortex och tillväxt av nya neuroner och synapser, vilket resulterar i bättre inlärning och prestanda (Dishman et al., 2006). Experimentella och prospektiva kohortstudier genomförda med vuxna visar att långsiktig regelbunden fysisk aktivitet förändrar människans hjärnfunktion (Colcombe et al., 2004; Weuve et al., 2004). Ett randomiserat, kontrollerat experiment avslöjade att 6 månader aerob träning ledde till förbättrad kognitiv prestanda hos äldre vuxna (Kramer et al., 1999). En viktig artikel rapporterar tydliga bevis för effekterna av aerob träning på hjärnaktivitet hos vuxna i två studier med fMRI-tekniker: En tvärsnittsjämförelse av personer med hög passform och låg passform visade att prefrontal cortexaktivitet var relaterat till fysisk kondition, och ett experiment visade att 6 månaders aerob träning (promenader) hos stillasittande 55- till 77-åringar ökade prefrontala cortexaktiviteter och ledde till förbättringar av ett test av verkställande funktion (Colcombe et al., 2004). Intressant nog fann en metaanalys inget stöd för aerob kondition som medlare för effekten av fysisk aktivitet på mänsklig kognition (Etnier, Nowell, Landers och Sibley, 2006). I stället för att medieras av hjärt- och kärlfördelar kan de kognitiva förändringarna på grund av träning vara ett direkt resultat av neural stimulering genom rörelse. Även om fallet har gjorts att fysisk aktivitet kan påverka barns kognitiva funktion direkt via förändringar i neural integritet, finns det andra troliga förklaringar, såsom engagemang i målinriktat, ansträngande mentalt engagemang (Tomporowski et al., 2008).

Denna studie har begränsningar. Resultaten är begränsade till ett prov av överviktiga svartvita 7- till 11-åriga barn. Magera barn och andra etniska grupper eller åldersgrupper kan reagera annorlunda. Det är okänt om kognitiva fördelar kvarstår efter en period med fördröjning. Om förmåner samlas över tid, skulle det emellertid vara viktigt för barns utveckling. Det kan vara känsliga perioder under vilka motorisk aktivitet skulle ha en särskilt stark effekt på hjärnan (Knudsen, 2004). Det återstår att avgöra om andra typer av träning, såsom styrketräning eller simning, också är effektiva. Deltagare och interventionspersonal kunde inte blinda för experimentellt tillstånd eller studiehypotesen; rekryteringsmaterialet betonade dock fysiska hälsofördelar snarare än kognitiva. En annan begränsning är att användningen av ett villkor utan kontroll av ingripanden inte tillåter rättegången att utesluta några alternativa förklaringar (t.ex. uppmärksamhet från vuxna, njutning). Psykologiska förändringar kan förekomma hos barn som deltar i träning på grund av sociala interaktioner som inträffar under sessionerna snarare än på grund av träning per se. Dosresponsmönstret för resultat förhindrar dock denna förklaring, eftersom båda träningsgrupperna tillbringade lika tid på forskningsanläggningen med instruktörer och kamrater.

Studien fann ingen skillnad mellan träningsdosgrupperna. Detta står inte i konflikt med upptäckten av dosresponsen, som visar att träningsinterventionen orsakade en förbättring av kognitionHill, 1965). Med tanke på att den linjära kontrasten visade en graderad effekt av behandlingen ställer en parvis dosjämförelse en uppföljningsfråga, om en specifik dos är överlägsen en annan (Ruberg, 1995). Testet av dosresponsfördelar till prestation var betydande, men jämförelsen mellan kontrollgruppen och de två träningsgrupperna var inte, vilket gav delvis stöd till hypotesen att träning förbättrar matematikens prestation.

FMRI-resultaten är begränsade av en liten provstorlek och ger inte ett test av dosrespons, vilket gör dem mer föremål för alternativa förklaringar. Ändå observerades specifika förändringar, och ändringarnas riktning skilde sig åt i prefrontala och parietala regioner, mot bakgrund av en global trend i hjärnaktiviteten. Även om antisaccadprestanda och dess stödjande hjärnaktivitet förändras med åldern (Luna et al., 2001), detta är en osannolik sammanslagare eftersom grupperna var i samma ålder.

Dessa experimentella data ger bevis på att ett kraftigt aerobt träningsprogram efter skolan förbättrade verkställande funktion på dosresponsmode bland överviktiga barn; sociala faktorer kan ha bidragit till denna effekt. Förändringar i motsvarande hjärnaktiveringsmönster observerades. Dessa resultat ger också delvis stöd för en fördel för matematikprestanda. Tilldelningen av villkor slumpmässigt och utvärderingar av resultatet bländade, vilket minimerade potentiella förspänningar eller förvirring. Överviktiga barn utgör nu över en tredjedel av USA: s barn och är överrepresenterade bland missgynnade populationer. Förutom att det är viktigt för att minska hälsorisker under en barnfetmaepidemi (Ogden et al., 2006), aerob aktivitet kan visa sig vara en viktig metod för att förbättra aspekter av barns mentala funktion som är centrala för kognitiv utveckling (Welsh, Friedman, & Spieker, 2006).

Tack

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz och JL Waller hjälpte till med insamling och analys av data. Stödet av NIH DK60692, DK70922, Medical College of Georgia Research Institute, ett statligt Georgiens biomedicinska initiativbidrag till Georgiens centrum för förebyggande av fetma och besläktade störningar, och överbrygga finansiering från Medical College of Georgia och University of Georgia.

fotnoter

Ansvarsfriskrivning för förlag: Följande manuskript är det slutliga accepterade manuskriptet. Det har inte underkastats den slutliga kopieringen, faktakontrollen och korrekturläsningen som krävs för formell publicering. Det är inte den definitiva versionen-autentiserade versionen. American Psychological Association och dess Redaktionsråd friskriver sig allt ansvar eller ansvar för fel eller utelämnanden av detta manuskriptversion, alla versioner härledda från detta manuskript av NIH eller andra tredje parter. Den publicerade versionen finns tillgänglig på www.apa.org/pubs/journals/hea

Bidragsgivare Information

Catherine L. Davis, Georgia Prevention Institute, Pediatrics, Medical College of Georgia.

Phillip D. Tomporowski, Institutionen för kinesiologi, Georgia University.

Jennifer E. McDowell, Institutionen för psykologi, University of Georgia.

Benjamin P. Austin, Institutionen för psykologi, University of Georgia.

Patricia H. Miller, Institutionen för psykologi, University of Georgia.

Nathan E. Yanasak, avdelningen för radiologi, Medical College of Georgia.

Jerry D. Allison, avdelningen för radiologi, Medical College of Georgia.

Jack A. Naglieri, Institutionen för psykologi, George Mason University.

referenser

  • Bästa JR, Miller PH, Jones LL. Exekutiv funktion efter ålder 5: Ändrar och korrelerar. Utvecklingsöversyn. 2009; 29 (3): 180-200. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Blair C. Skolberedskap. Integrera kognition och känslor i en neurobiologisk konceptualisering av barns funktion vid skolinträde. Amerikansk psykolog. 2002; 57: 111–127. [PubMed]
  • Camchong J, Dyckman KA, Austin BP, Clementz BA, McDowell JE. Vanliga nervkretsar som stöder volitionala saccader och dess störningar hos schizofrenipatienter och släktingar. Biologisk psykiatri. 2008; 64: 1042-1050. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Camchong J, Dyckman KA, Chapman CE, Yanasak NE, McDowell JE. Basala ganglia-talamokortikala kretsstörningar vid schizofreni under försenade responsuppgifter. Biologisk psykiatri. 2006; 60: 235-241. [PubMed]
  • Castelli DM, Hillman CH, Buck SM, Erwin HE. Kondition och akademisk prestation hos elever i tredje och femte klass. Journal of Sport and Exercise Psychology. 2007; 29: 239-252. [PubMed]
  • Coe DP, Pivarnik JM, Womack CJ, Reeves MJ, Malina RM. Effekt av fysisk träning och aktivitetsnivåer på akademisk prestation hos barn. Medicin och vetenskap inom sport och träning. 2006; 38: 1515-1519. [PubMed]
  • Colcombe SJ, Kramer AF. Fitnesseffekter på äldre vuxnas kognitiva funktion: en metaanalysstudie. Psykologisk vetenskap. 2003; 14: 125-130. [PubMed]
  • Colcombe SJ, Kramer AF, Erickson KI, Scalf P, McAuley E, Cohen NJ, et al. Kardiovaskulär kondition, kortikal plasticitet och åldrande. Fortsättningar från National Academy of Sciences. 2004; 101: 3316-3321. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Cox RW. AFNI: programvara för analys och visualisering av funktionell magnetisk resonansneurobildning. Datorer och biomedicinsk forskning. 1996; 29: 162-173. [PubMed]
  • Das JP, Mishra RK, Pool JE. Ett experiment på kognitiv sanering av ordläsningssvårigheter. Journal of Learning Disabilities. 1995; 28: 66-79. [PubMed]
  • Das JP, Naglieri JA, Kirby JR. Bedömning av kognitiva processer. Needham Heights, MA: Allyn & Bacon; 1994.
  • Datar A, Sturm R, Magnabosco JL. Barndomens övervikt och akademiska prestationer: nationell studie av förskolor och första klassare. Fetmaforskning. 2004; 12: 58-68. [PubMed]
  • Davis CL, Tomporowski PD, Boyle CA, Waller JL, Miller PH, Naglieri JA, et al. Effekter av aerob träning på överviktiga barns kognitiva funktion: en randomiserad kontrollerad studie. Forskning kvartalsvis för motion och sport. 2007; 78: 510–519. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Diamant A. Nära sammankoppling av motorisk utveckling och kognitiv utveckling och av småhjärnan och prefrontala cortex. Barn utveckling. 2000; 71: 44-56. [PubMed]
  • Dishman RK, Berthoud HR, Booth FW, Cotman CW, Edgerton VR, Fleshner MR, et al. Neurobiologi av träning. Fetma (silverfjäder) 2006; 14: 345 – 356. [PubMed]
  • Dwyer T, Sallis JF, Blizzard L, Lazarus R, Dean K. Förhållande till akademisk prestation till fysisk aktivitet och kondition hos barn. Pediatrisk träningsvetenskap. 2001; 13: 225-237.
  • Dwyer T, Coonan WE, Leitch DR, Hetzel BS, Baghurst PA. En undersökning av effekterna av daglig fysisk aktivitet på hälsan hos grundskolestudenter i South Australia. International Journal of Epidemiology. 1983; 12: 308-313. [PubMed]
  • Dyckman KA, Camchong J, Clementz BA, McDowell JE. Effekt av kontext på saccadrelaterat beteende och hjärnaktivitet. Neuroimage. 2007; 36: 774-784. [PubMed]
  • Eigsti IM, Zayas V, Mischel W, Shoda Y, Ayduk O, Dadlani MB, et al. Förutsäga kognitiv kontroll från förskola till sen tonår och ung vuxen ålder. Psykologisk vetenskap. 2006; 17: 478-484. [PubMed]
  • Eslinger PJ. Konceptualisering, beskrivning och mätning av komponenter i verkställande funktioner: En sammanfattning. I: Lyon GR, Krasnegor NA, redaktörer. Uppmärksamhet, minne och verkställande funktion. Baltimore: Paul H. Brooks Publishing Co; 1996. sid. 367 – 395.
  • Etnier JL, Nowell PM, Landers DM, Sibley BA. En metregression för att undersöka sambandet mellan aerob kondition och kognitiv prestanda. Brain Research Reviews. 2006; 52: 119-130. [PubMed]
  • Gutin B, Riggs S, Ferguson M, Owens S. Beskrivning och processutvärdering av ett träningsprogram för överviktiga barn. Research Quarterly for Exercise & Sport. 1999; 70: 65–69. [PubMed]
  • Hill AB. Miljö och sjukdom: förening eller orsak? Förfaranden från Royal Society of Medicine. 1965; 58: 295-300. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Var smart, träna ditt hjärta: utöva effekter på hjärnan och kognition. Nature Reviews Neuroscience. 2008; 9: 58-65. [PubMed]
  • Ismail AH. Effekterna av ett välorganiserat fysiskt utbildningsprogram på intellektuella prestationer. Forskning inom fysisk utbildning. 1967; 1: 31-38.
  • Kiehl KA, Stevens MC, Laurens KR, Pearlson G, Calhoun VD, Liddle PF. En adaptiv reflexiv bearbetningsmodell för neurokognitiv funktion: stödjande bevis från en storskalig (n = 100) fMRI-studie av en auditiv oddballuppgift. Neuroimage. 2005; 25: 899-915. [PubMed]
  • Knudsen EI. Känsliga perioder i hjärnans utveckling och beteende. Journal of Cognitive Neuroscience. 2004; 16: 1412-1425. [PubMed]
  • Kolb B, Whishaw IQ. Hjärnplastisitet och beteende. Årlig granskning av psykologi. 1998; 49: 43-64. [PubMed]
  • Kramer AF, Hahn S, Cohen NJ, Banich MT, McAuley E, Harrison CR, et al. Åldrande, kondition och neurokognitiv funktion. Natur. 1999; 400 (6743): 418-419. [PubMed]
  • Lezak MD, Howieson DB, Loring DW. Neuropsykologisk bedömning. 4th ed. New York: Oxford University Press; 2004.
  • Luna B, Thulborn KR, Munoz DP, Merriam EP, Garver KE, Minshew NJ, et al. Mognad av mycket distribuerad hjärnfunktion underlåter kognitiv utveckling. Neuroimage. 2001; 13: 786-793. [PubMed]
  • McDowell JE, Brown GG, Paulus M, Martinez A, Stewart SE, Dubowitz DJ, et al. Neuralkorrelat av refixation saccader och antisaccader hos normala och schizofreni individer. Biologisk psykiatri. 2002; 51: 216-223. [PubMed]
  • McGrew KS, Woodcock RW. Woodcock-Johnson III: Teknisk manual. Itasca, IL: Riverside Publishing Company; 2001.
  • Morris JS, DeGelder B, Weiskrantz L, Dolan RJ. Differential extrageniculostriate och amygdala svar på presentation av känslomässiga ansikten i ett kortiskt blindt fält. Hjärna. 2001; 124 (Pt 6): 1241 – 1252. [PubMed]
  • Must A, Tybor DJ. Fysisk aktivitet och stillasittande beteende: en genomgång av longitudinella studier av vikt och fett hos ungdomar. International Journal of Obesity (Lond) 2005; (29 Suppl 2): S84 – S96. [PubMed]
  • Naglieri JA. Essentials of CAS Assessment. New York: Wiley; 1999.
  • Naglieri JA, Das JP. Kognitivt bedömningssystem: tolkande handbok. Itasca, IL: Riverside Publishing; 1997.
  • Naglieri JA, Rojahn J. Konstruera giltighet av PASS-teorin och CAS: korrelationer med prestation. Journal of Educational Psychology. 2004; 96: 174-181.
  • Naglieri JA, Rojahn JR, Aquilino SA, Matto HC. Svartvit skillnader i kognitiv bearbetning: En studie av planering, uppmärksamhet, samtidig och successiv teori om intelligens. Journal of Psychoeducational Assessment. 2005; 23: 146-160.
  • Ogden CL, Carroll MD, Curtin LR, McDowell MA, Tabak CJ, Flegal KM. Prevalens av övervikt och fetma i USA, 1999 – 2004. JAMA: Journal of the American Medical Association. 2006; 295: 1549-1555. [PubMed]
  • Ogden CL, Kuczmarski RJ, Flegal KM, Mei Z, Guo S, Wei R, et al. Centers for Disease Control and Prevention 2000 tillväxtdiagram för USA: Förbättringar av 1977 National Center for Health Statistics version. Pediatrik. 2002; 109: 45-60. [PubMed]
  • Pereira AC, Huddleston DE, Brickman AM, Sosunov AA, Hen R, McKhann GM, et al. Ett in vivo-korrelat av träningsinducerad neurogenes i vuxen dentatgyrus. Fortsättningar från National Academy of Sciences. 2007; 104: 5638-5643. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Rabbitt P. Introduktion: Metoder och modeller i studien av verkställande funktion. I: Rabbit P, redaktör. Metod för frontal och verkställande funktion. Hove, East Sussex, Storbritannien: Psychology Press Ltd; 1997. sid. 1 – 38.
  • Rakison DH, Woodward AL. Nya perspektiv på effekterna av handlingar på perceptuell och kognitiv utveckling. Utvecklingspsykologi. 2008; 44: 1209-1213. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Sallis JF, McKenzie TL, Kolody B, Lewis M, Marshall S, Rosengard P. Effekter av hälsorelaterad fysisk utbildning på akademisk prestation: Project SPARK. Research Quarterly for Motion & Sport. 1999; 70: 127–134. [PubMed]
  • Shephard RJ, Volle M, Lavallee H, LaBarre R, Jequier JC, Rajic M. Obligatorisk fysisk aktivitet och akademiska betyg: En kontrollerad longitudinell studie. I: Ilmarinen J, Valimaki I, redaktörer. Barn och sport. Berlin: Springer Verlag; 1984. sid. 58 – 63.
  • Shore SM, Sachs ML, Lidicker JR, Brett SN, Wright AR, Libonati JR. Minskad skolastisk prestation hos överviktiga elever i mellanstadiet. Fetma (silverfjäder) 2008; 16: 1535 – 1538. [PubMed]
  • Sibley BA, Etnier JL. Förhållandet mellan fysisk aktivitet och kognition hos barn: En metaanalys. Pediatrisk träningsvetenskap. 2003; 15: 243-256.
  • Sommerville JA, Decety J. Vävning av social interaktion: artikulering av utvecklingspsykologi och kognitiv neurovetenskap inom motorisk kognition. Psykonomisk bulletin och granskning. 2006; 13: 179–200. [PubMed]
  • Strong WB, Malina RM, Blimkie CJ, Daniels SR, Dishman RK, Gutin B, et al. Evidensbaserad fysisk aktivitet för ungdomar i skolåldern. Journal of Pediatrics. 2005; 146: 732-737. [PubMed]
  • Sweeney JA, Luna B, Keedy SK, McDowell JE, Clementz BA. fMRI-studier av ögonrörelsekontroll: undersöker interaktionen mellan kognitiva och sensorimotoriska hjärnsystem. Neuroimage. 2007; (36 Suppl 2): T54 – T60. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Talairach J, Tournoux P. Co-plan stereotaxisk atlas i den mänskliga hjärnan: 3-dimensionellt proportionellt system - Ett tillvägagångssätt för hjärnbild. New York: Thieme Medical Publishers; 1988.
  • Taras H. Fysisk aktivitet och elevprestanda i skolan. Journal of School Health. 2005; 75: 214-218. [PubMed]
  • Taras H, Potts-Datema W. Fetma och elevprestanda i skolan. Journal of School Health. 2005; 75: 291-295. [PubMed]
  • Tomporowski PD, Davis CL, Miller PH, Naglieri J. Träning och barns intelligens, kognition och akademisk prestation. Granskning av pedagogisk psykologi. 2008; 20: 111–131. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Tuckman BW, Hinkle JS. En experimentell studie av de fysiska och psykologiska effekterna av aerob träning på skolbarn. Hälsopsychology. 1986; 5: 197-207. [PubMed]
  • Avdelning B. Samtidig inferens för FMRI-data. Milwaukee, WI: Biophysics Research Institute, Medical College of Wisconsin; 1997.
  • Welsh MC, Friedman SL, Spieker SJ. Exekutiva funktioner för att utveckla barn: Aktuella konceptualiseringar och frågor för framtiden. I: McCartney K, Phillips D, redaktörer. Blackwell Handbook of Early Childhood Development. Malden, MA: Blackwell Publishing; 2006. sid. 167 – 187.
  • Weuve J, Kang JH, Manson JE, Breteler MM, Ware JH, Grodstein F. Fysisk aktivitet, inklusive promenader och kognitiv funktion hos äldre kvinnor. JAMA: Journal of the American Medical Association. 2004; 292: 1454-1461. [PubMed]
  • Wittberg R, Northrup K, Cottrell LA, Davis CL. Aerobic fitness trösklar förknippade med femte klass akademisk prestation. American Journal of Health Education. (Accepterad)
  • Zervas Y, Apostolos D, Klissouras V. Påverkan av fysisk ansträngning på mental prestanda med hänvisning till träning. Perceptuell och motorisk kompetens. 1991; 73: 1215-1221. [PubMed]